《别闹了,费曼先生》不要太相信专家

50年代初期,我们的问题是:找出能解释贝塔衰变(beta decay)的正确理论。这牵涉到两种粒子,一种名叫“涛粒子”(以希腊字母τ代表),另一种叫“非他粒子”(以θ代表)。它们的质量差不多一模一样,可是一种会蜕变为两个“派粒子”(pion):另一种则蜕变为3个派粒子。其实它们并不只是质量差不多,而且寿命也一样,真是个奇怪的巧合。于是大家都很关心这问题。

在我参加的一个会议上,有人报告说,从回旋加速器生产出来的涛和非他,即使在不同角度测量或是粒子的能量不同时,它们的产量比例始终不变:总是多少个涛对多少个非他。

当然,其中一种可能性是:两者实际上是同一种粒子,只不过它有时蜕变为两个派粒子,有时蜕变为3个。但没有人会赞同这个想法的,因为物理学里有个定律叫“宇称规则”——那是建立在“所有的物理定律,其镜中影像都是对称的”的假定上。因此,任何东西要不就蜕变成两个派粒子,要不就蜕变成3个。

那时候,我还有点搞不清楚情况,我总是有点落后。其他人好像都一副很聪明的样子,我感觉我追不上。会议期间,我跟布洛克(MartinBlock)住同一房间,他是个实验物理学家。一天晚上,他对我说:“你们干嘛那么死守着宇称规则?也许涛粒子和非他粒子根本是一而二、二而一。假如宇称规则错了会怎样?”

我想了一下说:“这就等于说,宇宙定律会分为左旋(left hand)或右旋(right hand)两种,也可以用某些物理现象来定义右旋了。我也不觉得那会有多可怕,虽然那一定有些什么不良后果,我不知道。你为什么明天不问问那些专家?”

他说:“不,他们不会听我的,你来问。”

不 敢 面 对 问 题

于是第二天开会时,当我们谈到涛-非他大谜团时,奥本海默说:“我们应该听些新一点、怪一点的意见。”我便站起来说:“我是替布洛克问这个问题的:如果宇称规则错了,会有什么后果?”

之后葛尔曼经常笑我,说我当时没胆量用自己的名义问问题。但事实上那不是原因。真正的原因是,在当时我就感觉到那可能是个很重要的想法,谁提出这个问题,往后很可能会名留青史。

李政道站起来,回答了一些很复杂的东西,而按例我又是不太听得懂。会议快结束时,布洛克问我李政道说了些什么,我说不知道,但就我所知,这问题还没有答案——还是有可能发生的。我不认为可能性会很高,但我觉得那是有可能的。

拉姆西(Norman Ramsey)问我他应不应该做个实验,寻找宇称不守恒的例子。我说:“最佳回答是,我跟你赌50比1,你什么也找不到。”

他说:“那对我而言,机会已经够高了。”但他始终没有进行那个实验。

总之,后来吴健雄以实验证明了宇称也有不守恒的时候,而这替贝塔衰变理论带来了许多新的可能性,也启发了一大堆其他实验。有些证明了从核子出来的电子,有一部分飞向左边、一部分飞向右边;更有其他形形式式的实验,全都是跟宇称有关的有趣发现。然而数据是那么的混乱,根本没有人能够把东西拼凑在一起。

期间在罗彻斯特举行了一个会议——一年一度的罗彻斯特研讨会(Rochester Conference)。我还是事事落于人后,而李政道已在发表关于宇称不守恒的论文。他和杨振宁作出宇称并不守恒的结论,现在他正提出解释这现象的理论。

会议期间,我住在我位于西瑞桥斯(Syracuse)的妹妹家。我把论文带回家跟她说:“我搞不懂李政道和杨振宁说的东西,这全都那么复杂!”

“不,”她说,“你的意思并不是说你无法弄懂它,而是你没有发明它。你没有用你的方法,从听到线索开始做起,把它推演出来。你应该做的是想象自己重新在当学生,把这篇论文带到楼上去,逐字逐句地读,检查每一条方程式。然后你就什么都弄懂了。”

我接受了她的建议,把那东西从头看到尾,发现它真的很明显简单。我只是一直害怕去读它,总觉得它太深奥。“我全部 明白 了”

这篇论文提醒了我很久以前做的一些研究,那是跟左右不对称方程式有关的。现在再来看李政道的方程式,我发觉他的答案比较简单:所有东西都是左旋耦合的。就电子及渺粒子(muon)来说,我的推论预测跟李政道的一样,除了我把某些加减号颠倒过来而已。当时我没想到:其实李政道只不过讨论了最简单的渺粒子耦合例子,并没有证明所有渺粒子都向右旋;但按照我的理论,所有渺粒子会自动右旋。因此,事实上我的推论比他的更上一层楼了。我的加减号跟他用的颠倒,但我没意识到我其他部分全都弄对。

我又做了几项预测,全是些还没有人想到过用实验验证的情况。可是当我考虑中子和质子,进行计算时,我的结论无法跟当时已知的中子与质子数据互相印证。这部分有点儿麻烦,不好弄。

第二天回到会场,有个叫凯斯(Ken Case)的大好人,把他发表论文的时间分了5分钟给我,让我报告这些新想法。我说我相信一切都是左旋耦合,又说电子和渺粒子的正负号用反了,此外我还在努力解决中子的相关问题。有些实验物理学家问了我一些关于我的预测的问题。会议之后那个暑假,我就去了巴西了。

再回到美国之后,我立刻想知道贝塔衰变的研究进展得如何了。我跑到吴健雄在哥伦比亚大学的实验室,但她不在,另一位女士给我看了一些数据,却没有帮助。在我的模型中,电子在贝塔衰变中应该都是左旋的,可是实验显示有时出现右旋的情况。全都对不起来。

回到加州理工,我问那些做实验的,贝塔衰变情况到底如何了。还记得詹森(Hans Jensen)、维普斯塔拉(Aaldert Wapstra)以及贝汉姆(Felix Boehm)三人请我坐下来,一五一十地告诉了我其他人的实验结果以及他们得到的数据。由于我很了解他们,知道他们用心的程度,因此我比较看重他们的数据。他们的实验结果还蛮一致的,但加上其他实验室的结果,就变得乱七八糟了。

最后,他们把一切数据都交给我说:“目前情况是那么的混乱,甚至一些已定论多年的理论都被怀疑了,像中子的贝塔衰变是否仍是 S和 T。一切都乱七八糟。葛尔曼说那可能是V 和 A。”

我从小板凳上跳起来:“那么我全——部——都明白了!”

他们以为我在开玩笑。但我在罗彻斯特会议碰到的困难,正是在中子与质子蜕变时,除了好像应该是V 和 A 而不是 S 和 T 之外,其余一切理论都吻合了。因此,现在我的理论完备无瑕了!

迎 头 赶 上

当天晚上,我就用这个理论把一切都计算出来。首先我算出了渺粒子和中子的蜕变速度。如果理论正确,这两项数字之间应该出现某种关联。我的结果跟应有的答案相差9%。那已很接近了,只9%。好像应该更接近的,但9%已够接近了。

我继续检查其他的一些计算,全都符合,再计算新的东西,也符合。我兴奋极了。这是我生平第一次。事实上也是唯一的一次,我知道一个别人都不知道的自然定律。(当然那不全对,可是后来才发现葛尔曼、苏打山以及马夏克等人也推演出同样的理论,并没有破坏我的乐趣。)

在这之前我做过的工作,全都不过是把别人的理论拿来,改进其中一些计算技巧;或者是利用什么方程式,例如把薛定愕方程式(Schrodinger Equation)用在氦现象上面。那里牵涉到的问题只不过是:你有这方程式及现象,它们如何运作?

我想到狄拉克(Paul Dirac),他也一度单独“拥有”他的方程式——用以说明电子现象的方程式。而现在我也拥有这个新的贝塔衰变的方程式。它没有狄拉克方程式那么耀眼,但它也很不错。这是我唯一一次发现了新定律。

我打电话给在纽约的妹妹,谢谢她建议我坐下来好好地读通李政道和杨振宁的论文。经过了一段不安和觉得事事落于人后的日子,现在我终于觉得已经加入大家的行列了;我也有新发现了,全由于她的建议。很感谢她,我重新回到物理之路上了。我告诉了她一切,除了那9%的差别。

我十分兴奋,不停地计算,而事情就如流水行云般顺利:一切都自动吻合,毫不牵强。到这时候,我已开始忘记那9%的事情了,因为其他一切都那么顺利。

要 物 理 不 要 朋 友

我坐在厨房内窗旁的小桌那里,一直工作到深夜。愈来愈晚了——大约凌晨两三点。我努力计算,得到很多相互吻合的结果。我在思考、我在专心,外面很黑、很静……突然窗口上“搭搭搭搭”地响起来。我一看,那里有一张白白的脸,离我只有几英寸,我惊吓之下便大叫起来!

原来这是我的一位朋友,她很生气,因为我度假回来却没有立刻打电话给她。我让她进来,尽可能解释我正在忙,我刚发现了一些很重要的理论。我说:“请到外面去,让我把它完成。”

她说:“不,我不想打扰到你。我去客厅坐好了。”

我说:“好吧,但这不容易。”

她没有真的坐在客厅。最好的说法是她蹲在角落把手盘起来。不来“打扰”我。她的目的当然是要打扰我!而她成功了。我很生气,我受不了了。我必须继续计算下去,我在进行一些很重大的发现,精神亢奋;而起码在这个时刻,那比这位女士还重要。我忘记后来怎样让她离开了,总之并不容易。

再工作一些时候,真的很晚了,觉得肚子非常饿。我走到街上离我家不远的一家小餐厅。以前我经常都这样深夜去吃东西的。

曾经有很多次我被警察拦下来,因为我会边走边想,然后停下来——有时想得连走路都没法走。你得停下来澄清一些事;有时也会伸双手,自言自语地说:“这跟这的距离是这样,然后这会那样……”警察看到了便走过来问:“你叫什么名字?住哪里?你在干嘛?”

“噢!我在想东西。对不起,我住这里,经常去这餐厅……”后来他们都知道我是谁,也不再拦我了。

走到餐厅,一边吃东西,一边还是忍不住兴奋地告诉那里的一位女士,我刚有了一项大发现。她却开始说,她是一个消防员或什么的妻子,很寂寞——但我没兴趣。有时候人生就是如此地相互交错。

兴 奋 的 一 刻

第二天我跑去找维普斯塔拉等人,告诉他们:“我已全弄出来了,一切都符合无误。”

克利斯蒂也在那里,他说:“你用的是什么贝塔衰变常数?”

“某某书里的多少多少。”

“但那已不对了。最近的实验显示那数字有7%的误差。”

我想起那9%了。我好像在预言什么一样:我在家里用这理论计算,它说中子衰变有9%的差别,第二天却有人告诉我,我引用的贝塔衰变常数有7%的差别。但重要的是,改变将会是从9%变成16%呢(那就不好了),还是从9%变成很理想的2%?

就在那时,妹妹从纽约打电话来:“那9%是怎么一回事?”

“我刚发现出现了新数据……7%……”

“往那边改?”

“我还在问,我再打电话给你吧。”

我兴奋到无法思考,好像在赶搭班机一样,根本不知道晚了多少。你实在赶不上了,突然旁边有人说:“现在是日光节约时间呢!”对,但究竟是往前拨一小时还是往后拨一小时呢?在太激动的时候是想不出来的。

克利斯蒂走进他的房间,我走进另一个房间。我们都必须静静地想一想:这往这边改变,那往那边改变——这并不太困难,真的,只是很令人兴奋。

克利斯蒂出来了,我也从房间走出来,我们都同意:相差将会是2%—在准许的实验误差之内。毕竟如果他们才刚把常数修改了7%,那2%极可能就是误差。我打电话给我妹妹:“2%。”理论正确。

(为了当时我们还不知道的原因,其实相差只有1%。后来卡比布(Nicola Cabibbo)把这点澄清。因此那2%也不全是实验误差。)

葛尔曼综合了我们的想法,写成一篇论文。这理论还蛮可爱的,它不困难,却可以解释很多现象。但就像前面说过,当时有很多很乱的数据。在某些情况下,我们甚至还会宣称,哪些实验有错误。

最好的例子,是特勒第(Valentine Telegdi)的实验了。他测量了中子蜕变时从不同方向出来的电子数。我们的理论预测,这些数目全都一样,但他却发现从某个方向出来的电子数比其他的多了11%。特勒第是个极优秀的实验物理学家,也很小心仔细。有一次,当他在某个地方做演讲时,他提到我们的理论说:“做理论的人的毛病是,他们从来不把注意力放在实验上!”

特勒第也写信给我们,语气虽然不完全是责备,但明显地表示他认为我们的理论是错的。信末他说:“这 F-G (指Feynman-Gell-Mann)理论是完全不 F-G (指fit-good,吻合的意思)。”

葛尔曼说:“我们该怎么办?你也知道特勒第是个很优秀的实验物理学家。”

我说:“我们等。”

两天之后,特勒第又写了封信来,他完全改变立场了。从我们的理论里,他发现:他忽略了实验中,从中子朝各方向反弹的质子并不一致;他假设那在任何方向都一样。他把我们理论所推测的修正值取代他原先在用的数据,结果完全改观,实验和理论完全吻合。

我知道特勒第很优秀,和他争论是很吃力的。但那时候,我已深信他的实验数据出了问题,而他自己会把它找出来——当然他比我更懂得找这错误了,因此我说我们不要尝试找出问题,只要耐心等候便可。